浅谈CAD的特征造型技术

当工程师使用三维CAD工具制图时，随着使用的深入和需求的增加，会遇到这样那样的问题。如果我们增加一些对CAD技术基本概念上的认识，就会有助于我们了解设计工具本身，在设计工作细节中避免一些令人费解的问题发生。2007年SolidWorks公司推出了 SWIFT技术，这是一个非常先进的技术。最近SolidWorks公司在其2008新版的软件中将SWIFT技术又做了进一步的加强。类似的还有Pro/E的行为建模技术，而这些都是从特征造型基础之上发展而来的优秀技术。

回顾CAD技术发展历史，在上世纪60年代期间的CAD技术以线框造型为主，其代表的软件系统为CADAM，技术发展到70年代，CAD技术以曲面造型为主，代表系统是CATIA。上世纪80年代期间的CAD技术以实体造型为主，如I-DEAS。到了上世纪90年代， CAD技术以Pro/E为代表的特征造型技术走在了前面。而自此以后直到现在，还没有一种完全革命性的突破。关于特征造型，我们首先可以了解一下“特征”的概念。对于特征，没有统一公认的概念。概括讲，它是几何特征和工程特征的集成，即几何信息、工程信息及其依赖关系(生成信息)的集成。特征有多种，比如过渡特征、草图特征、凸台特征和定位特征。而特征概念中所谓的依赖关系是特征造型和实体造型的最大区别，特征模型纪录了建模的历史过程，而实体造型系统仅纪录了最终的造型结果。

特征造型技术原理主要包括依赖关系、拓扑ID号，特征树和特征更新等几个要点。

在特征造型系统中，几何形体之间可以有依赖关系。而正是这种依赖关系，成为了定义特征的关键。依赖关系可以分为显式、隐式两大类。给定参数、在定位平面上和以某条线为定位轴等依赖关系都属于显式关系，而过渡某条边(Edge)、在某个面(Face)上打孔和通过一个顶点(Vertex)等依赖关系都是隐式关系。显式关系容易被我们定义，但是隐式关系定义则不然。在传统特征造型系统中，隐式关系是利用拓扑元素的永久命名机制来实现的。因此，永久命名机制是传统特征造型系统的核心技术。

在造型过程中，实体的点、边、面是自动生成的，与之相关联的拓扑ID号不是一个简单的编号。我们对其有一些要求指标。首先是拓扑ID号的唯一性，即在特征系统中每个拓扑元素有唯一的ID号。然后是一致性。一致性体现于在特征的更新过程中ID的编号要始终保持一致。由于我们对拓扑ID号有了以上的要求，就能实现我们将它引入模型中的目的，即解决特征之间的依赖关系问题，实现模型更改时对特征的更新。拓扑ID号的原理是以面为中心的命名。在布尔运算过程中，面相对稳定，若不算分裂和合并，无新面生成；点、边基本上可用面来区分；多数面的命名可以根据生成条件确定。

我们可以通过特征树反应依赖关系。当一个特征发生变化后，特征需要重算。这里有个更新原则，即子特征的所有父特征更新之后，该子特征才能更新；任一父特征的更新失败，其子特征的更新均被认为是失败的。在pro/E的早期版本中，对于特征的依赖关系就存在着细节上的错误，造成原本唯一的拓扑ID号经过模型修改后无法和新ID相完全对应。

SolidWorks的SWIFT(SolidWorks Intelligent Feature Technology)技术主要包含特征专家(Feature Expert)和草图专家(Sketch Expert)两个应用功能。FeatureExpert面对设计过程中越来越多的特征参数与关系，在设计过程中会碰到由于经常的设计修改而使后续众多的特征参数和关系出现一系列的警告与错误等问题。SWIFT好就好在将原来的很多过渡操作的步骤都隐去了，让操作更为简单。原来过渡的次序不同可能导致过渡的结果不同。Expert避免让使用者手动过渡圆弧，软件将自动帮你选择过渡次序，保证了过渡结果的正确性，同时提高了效率。

CAD应用中还有一个重要问题是标准问题：目前CAD标准主要有两个：一个是1979年美国国家标准局(NBS)制定了几何信息交换标准(IGES)。另一个是1988年国际ISO颁布的产品信息交换标准(STEP)。国内一度对STEP的期望很大。但STEP没有特征实现方式的定义，没有拓扑ID号的定义，这是STEP的一个硬伤。美国标准化局的官员Pratt到京访问时也对这个问题表示认同。如何把CAD系统中的建模信息转到系统B中。当前不同CAD系统之间的特征信息是不能被完全交换的。这给应用造成很大的困难。比如我了解的一个案例，CATIA在和某CAE系统之间的数据进行传输时，由于两个系统几何平台之间对于曲面的定义各不相同，所以对于CATIA中模型的某些特征在传输中就遗失或是被错误地表达了。

目前特征造型技术仍有不足。比如特征重建时可能会导致错误；对于不同的CAD系统，几何信息可以交换，但特征信息不能交换。另外，对于曲面造型，特征技术也有些许不足。为此又有人提出了新的动态建模改进技术。

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